Révéler la composition chimique en 3D de fossiles organiques entiers
Publié par Isabelle le 03/09/2019 à 14:00
Source: CNRS INEE

©Cande
Une équipe internationale conduite par l'Institut photonique d'Analyse non-destructive Européen des Matériaux Anciens (IPANEMA - CNRS/Min. Culture/Univ Versailles St-Quentin) publie une technique inédite d'étude de la composition de fossiles entiers dans la revue Science Advances. L'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) Raman de rayons X 3D sur synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) permet d'obtenir la composition de fossiles organiques entiers à l'échelle du centième de millimètre. Appliquée à une fourmi de 53 millions d'années préservée dans de l'ambre, l'équipe révèle la présence de signatures moléculaires de chitine qui constituait l'exosquelette (Un exosquelette ou squelette externe, par opposition à endosquelette, est une caractéristique anatomique externe qui supporte et protège un animal. Beaucoup d'invertébrés, comme les...) de l'insecte (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur environnement (association loi de 1901), elle paraît...) et visualise même une différence de préservation entre la partie de l'insecte (Les insectes (Insecta) font partie du sous-embranchement des hexapodes, elle-même incluse dans l'embranchement des arthropodes mais dans un sous-groupe : les mandibulates. On connaît un...) qui a d'abord été en contact de la résine et celle qui ne l'a été que plus tardivement.

Une équipe internationale conduite par le laboratoire IPANEMA (Paris-Saclay), et constituée de trois autres laboratoires CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) (ISYEB, IMPMC et LRCP), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) de Lausanne et de trois installations synchrotrons (SOLEIL et ESRF en France, Stanford aux États-Unis) vient de montrer qu'il était possible d'établir la composition en chaque point (Graphie) d'un fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine,...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) à partir de l'utilisation totalement innovante d'une méthode issue de travaux fondamentaux en spectroscopie des rayons X.

L'étude des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) fossiles fait appel depuis une quinzaine d'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) à l'imagerie 3D par tomographie de rayons X, comparable au scanner (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de...) médical. La tomographie permet l'étude des motifs microscopiques nécessaires à la compréhension de l'évolution des espèces, de leur physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle, le fonctionnement et...) et des mécanismes de fossilisation. Elle conduit à des images "en noir et blanc (Le noir et blanc sont considérés ou non comme des couleurs selon la discipline qui en parle : imprimerie, photographie, physique, peinture, théorie de la perception. Dans le langage courant, elles sont...)" indicatives de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) des matériaux, comme une radiographie (La radiographie est l'ensemble des techniques permettant de réaliser des clichés à l'aide de rayons X des structures internes d'un patient ou d'un composant mécanique (la...) médicale montre l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...) relative des différents tissus, mais ne permet pas d'obtenir la composition moléculaire interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée...) des fossiles. D'autres méthodes, comme l'imagerie de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière...) X, permettent de former une image chimique, mais sur des fossiles plats uniquement.

Avec l'imagerie Raman de rayons X 3D, une petite fraction de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des rayons X avec lesquels on éclaire un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière...) est transférée à ses électrons par diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) inélastique, produisant un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés...) détectable pour déterminer la composition chimique de celui-ci. L'équipe a montré que le couplage de cette méthode avec une instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) avancée utilisant les qualités de focalisation, de résolution en énergie et de pénétration du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X synchrotron permettait d'obtenir la composition en chaque point du fossile, en 3D.

L'équipe a ainsi montré qu'une fourmi fossile exceptionnellement conservée dans l'ambre et vieille de 53 millions d'années avait conservé des signatures moléculaires de chitine, un sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il est majoritairement formé d'un...) complexe extrêmement résistant utilisé par les insectes comme constituant structural principal de leur exosquelette. Les chercheurs ont pu montrer que la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) de l'insecte qui avait été mise en contact de la résine la première avait été mieux préservée chimiquement que celle qui avait été recouverte plus longtemps après la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant...) de l'insecte. Ces résultats sont publiés dans la revue Science Advances.


Imagerie Raman de rayons X 3D d'une fourmi piégée dans l'ambre il y a 53 millions d'années dans l'Oise. La chimie du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique...) révèle la préservation de signatures moléculaires de la chitine, mieux préservées sur la surface de la fourmi ayant été en premier en contact avec la résine.

Référence:

R. Georgiou, P. Gueriau, C. Sahle, S. Bernard, A. Mirone, R. Garrouste, U. Bergmann, J.-P. Rueff et L. Bertrand. Carbon speciation in organic fossils using 2D to 3D x-ray Raman multispectral imaging. Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaw5019

Contacts checheurs:
Loïc Bertrand
IPANEMA

Jean-Pascal Rueff
Synchrotron SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est...)

Uwe Bergmann
SLAC Stanford
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